抚顺石化工程建设有限公司 辽宁抚顺 113000
摘要：钢材的焊接热裂和冷裂倾向受到环境、板厚、化学成分、接头形式、坡口尺寸、过程处理（清根）、焊接参数（电流、电压、焊接速度、线能量等）、焊接工艺纪律执行情况等多种因素的影响，原本对裂纹倾向不敏感的材料在某一因素或多种因素的共同作用下，使得材料焊接时裂纹倾向增大，这时，就需要特殊对待，通过采取必要的防止措施，以保证焊接施工质量，避免盲目施工。
关键词：焊接；结晶裂纹；冷裂纹；返修
1.概述
公司承建的某煤化工项目---煤制甲醇及转化烯烃项目甲醇制烯烃装置（S-MTO）一套，其中有反-再单元再生器（C-1102）一台，该再生器为现场组焊设备，再生器规格为Ф8100×24/Ф6200×36/Ф4900×24×高45225（mm）（局部厚度达到52mm）。
再生器由设备制造厂进行半成品预制，壳体分片供货到现场，由公司进行现场组焊、开孔。
该设备筒体及封头材质均为Q245R，所走介质为烟气、催化剂，内件设计温度760℃，壳体设计温度350℃，设计压力0.35MPa。
设备筒体最薄处钢板厚度24mm，局部（锥段）厚度达到52mm。在焊接锥段34mm与36mm连接处时，由于工艺措施未执行到位，焊缝热影响区出现焊接裂纹。
本设备锥段产生缺陷的焊缝为丁字焊缝处34mm与36mm筒体横缝，焊缝采用对称X形坡口，坡口尺寸见图1，焊接顺序为先纵后横，先外后内。由于设备锥段带有一定倾斜度，且筒节高度较小，无法实现埋弧焊，因此，焊接采用焊条电弧焊。
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图1 坡口形状
该锥段厚度大于30mm，所有焊缝均应进行焊后消应力热处理。根据设备组焊方案，该部分焊接完成后将对锥段进行整体焊后热处理，所以焊接完成后没有立即进行热处理。为了避免热处理后因返修情况而影响热处理效果，所以将无损检测安排在热处理前进行。该设备无损检测比例为100%射线检测，射线检测结果显示裂纹缺陷。
2.缺陷原因分析
经过分析，该裂纹为焊接冷裂纹，产生与应力（组对应力、焊接应力）、坡口角度、清根情况、焊缝成形及工艺纪律执行情况等有关。
2.1 内应力
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图2 丁字缝应力测试试件外形及尺寸
由于产生缺陷的部位为丁字焊缝的交叉部位，因此，对丁字焊缝的应力情况进行了分析，丁字缝应力测试试验试件如图2所示。研究显示，丁字焊缝接头形成残余应力的过程中，焊缝2起主导作用；最大残余应力位于焊缝2上的纵向残余应力，其最大值接近材料的屈服极限；丁字焊缝交接点处的残余应力低于峰值应力，它不是接头中危险的部位；离开丁字焊缝的区域，残余应力有拉伸应力，也有压缩应力，且数值并不高。总的来说，丁字缝的残余应力主要为拉伸应力状态。
焊接环焊缝时，由于未采取防焊接变形处理措施，由角变形引起根部焊道的焊接应力较纵缝大，所以当在高温阶段晶间塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性应变量，便可能导致焊缝在高温区出现结晶裂纹。
因为该设备锥段焊缝的缺陷正好处在丁字焊缝中应力最大的区域，所以，该缺陷的产生与应力有直接关系。
2.2 坡口尺寸、清根及焊缝成形情况
设备锥段焊缝坡口形式为对称X形坡口，由于筒体具有一定曲率，因此组对后的焊缝呈现外宽内窄的形状。焊接方法为全焊条电弧焊，外侧焊完后焊接内侧焊缝。
由于纵缝的坡口角度偏大，且焊接时进行了防变形处理（刚性固定）；而环缝的坡口由于设计及加工工艺，使得坡口角度小于60°（实际为55°），焊接过程无法进行防变形处理。因此，清根后环缝的熔合比增大，而焊缝的成形系数偏小，又由于拘束应力的强烈影响，环缝焊接出现结晶裂纹的倾向增大。
2.3 合金元素和杂质的影响
由于设备采用碳弧气刨进行清根，使焊缝根部碳元素含量增加的倾向明显。焊缝金属凝固过程中，结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界形成“液态薄膜”，在特定的敏感温度区间，其强度极小，在焊接拉应力的作用下，开裂形成裂纹。由于熔合比大，焊缝金属稀释增加，使得S、P等元素的含量增加，扩大了敏感温度区间，使结晶裂纹的产生机会增加。
2.4 焊接工艺纪律执行情况
规范要求焊接Q245R材质厚度30mm＜δ≤ 50mm时，焊前需预热50℃以上，有预热要求而又有焊后热处理要求，如焊后不能立即进行热处理，焊完后应进行200~350℃保温30分钟以上的消氢处理。经与具体施工人员交流，在进行该设备焊接时未采取相关的预热措施，焊接完成后因为需要进行整体热处理而没有立即进行局部热处理，也没有进行相应的后热消氢处理及保温缓冷措施。由于板厚较厚，且应力较大，同时缺乏各种防止冷裂纹的预热、后热措施，因而也增大了产生冷裂纹的倾向。
由以上分析得知，焊接环缝时，由于碳弧气刨清根不均，坡口有的地方过深，而且坡口角度偏小，造成焊道窄而深，使焊缝成形系数过小；另外，焊接线能量过大，使根部焊道的熔池金属稀释，合金元素及杂质增加，熔合比增大，使熔池形成低熔点共晶物的机会增多；同时，根部焊道承受的综合应力偏大；又由于焊接工艺纪律执行不到位，没有采取有效的防冷裂措施，所以在环缝清根效果不好的部位产生了焊接冷裂纹。
3.焊缝返修
3.1坡口形式
采用不对称的U形坡口形式。坡口打磨成U形缓坡状，坡口角度约我15°~20°，以便于实现返修焊缝的打底和填充焊接。环焊缝、纵焊缝开口长度分别为110mm左右。
3.2返修焊接
返修焊接采用的焊接工艺与正式焊接工艺一致；
返修焊接前进行预热，预热温度150℃左右，预热范围距补焊周边不小于200mm；
先焊接环焊缝，焊接完成以后再焊接立焊缝；
焊接采用小规范、快速焊、多层多道短弧焊接；
焊完后进行200~350℃、保温时间不小于30min的局部后热消氢处理。
4 结束语
在进行Q245R厚壁压力容器焊接时，原本对冷裂纹并不敏感的钢材可能会因为厚度的增加而冷裂倾向增大，此时，应该采取各种防止冷裂的措施，如预热、后热消氢、及时进行焊后热处理等，并加强现场焊接施工的管理，确保各项措施、纪律执行到位。另外，还应考虑结晶裂纹的产生，可通过改变焊缝成形系数（φ＞1）、减小焊缝熔合比、增大坡口角度（65°~70°）等来减少结晶裂纹产生的机会。
参考文献：
[1]王少海。厚板碳素钢制压力容器的焊接方法控制。《化学工程与装备》2010年第9期。
[2]《石油化工静设备现场组焊技术规程》SH/T3524-2009。